Jádro ve Pavel Cejnar Ústav částicové a jaderné fyziky službách Matematicko-fyzikální fakulta UK
Novosemetrálka Young Minds, Praha, březen 2019 J. E. Lodge, "New triumphs in age-old quest for perfect timepiece" in Popular Science Monthly, New York, Vol. 119, No. 6, Dec. 1931, p. 53 Vazbová energie jádra R ≈ 1-8·10−15 m hmotnost „hmotnostní hmotnost hmotnost 17 3 jádra neutronů protonů schodek“ ρ ≈ 2·10 kg/m
m( N ,Z ) N mn Z mp ( N ,Z ) proton
−27 −27 mn=1.675·10 kg mp=1.673·10 kg Z
Ekvivalence hmotnosti a energie E mc2 N Vazbová energie jádra – energie, která se uvolní, když neutron se protony a neutrony přiblíží a vytvoří vázaný systém (jádro): 2 2 2 B(N ,Z ) N mnc Z mpc m(N ,Z ) c
2 ( N ,Z )c Vazbová energie jádra V roce 1935 odvodil C.von Weizsäcker pro vazbovou energii jader jednoduchou formulku, která vysvětluje B [MeV] stabilitu jader v přírodě a ukazuje, že těžká jádra A mají menší vazbovou energii než středně těžká jádra.
Carl Friedrich von Weizsäcker 1912-2007
B [MeV] A
von Weiszäckerova formule 2 Z 2 (N Z)2 B a A a A3 a a V S C 1 A A A3 A N Z Vazbová energie jádra V roce 1935 odvodil C.von Weizsäcker pro vazbovou energii jader jednoduchou formulku, která vysvětluje B [MeV] stabilitu jader v přírodě a ukazuje, že těžká jádra A mají menší vazbovou energii než středně těžká jádra.
Carl Friedrich von Weizsäcker 1912-2007
Obyčejné Při štěpení 1 jádra 235U hoření, např. se uvolní celkem cca C+O2→CO2, 210 MeV energie uvolní na (z toho cca 180 MeV 1 vzniklou okamžitě a cca 30 MeV molekulu při následných rozpadech) asi 1-10 eV ≈108 x víc energie
1 eV =1.6·10−19 J A N Z Řetězová reakce V r.1932 navrhli John Cockroft a Ernest Walton (vynálezci prvního urychlovače částic) uvolnění energie jádra pomocí reakce s urychlenými protony 7 4 4 p 3Li 2He 2 He . Jejich návrh zkritizoval Ernest Rutherford (objevitel atomového jádra). Podle něj energie jádra nemůže být prakticky využita.
John Cockroft Ernest Walton 1897–1967 Ernest Rutherford 1903-95 1871-1937 Ernest Walton a jeho generátor, Cambridge, 1932 Řetězová reakce V r.1932 navrhli John Cockroft a Ernest Walton (vynálezci prvního urychlovače částic) uvolnění energie jádra pomocí reakce s urychlenými protony 7 4 4 p 3Li 2He 2 He . Jejich návrh zkritizoval Ernest Rutherford (objevitel atomového jádra). Leo Szilard 1898-1964 Podle něj energie jádra nemůže být prakticky využita. V r.1934 koná Enrico Fermi pokusy s bombardováním uranu neutrony (částice objevená v r.1932). V témže roce podává Leo Szilard patent předjímající neutrony n vyvolanou řetězovou reakci jader. Jeho návrh byl sice nereálný, 2n ale obsahoval zárodek správné n myšlenky… 2n n Štěpení jader neutron V prosinci 1938 nachází Otto Hahn a Fritz Strassmann (v Berlíně) ve Ida Noddack vzorcích uranu ozářeného neutrony 1896-1978 lehčí jádra (baryum). Lisa Meitner a Robert Frisch (v Dánsku) to vysvětlují jako výsledek štěpení jádra uranu, ke kterému dochází v důsledku „křehkosti“ těžkých jader neutrony dané elektrickým odpuzováním protonů… Pozn.: Možnost štěpení uranu navrhla na základě Fermiho experimentů již Otto Hahn 1879-1968 v r.1934 Ida Noddack. Lise Meitner 1878-1968
Rozdělení hmotnostních čísel štěpných Aparatura, na níž Hahn a Strassmann v Ústavu císaře Wilhelma v Berlíně objevili produktů štěpení (Deutsches Museum, Mnichov) (pro různá štěpená jádra) Štěpení jader neutron Niels Bohr („otec“ kvantové fyziky a spolutvůrce jaderné fyziky) v USA Robert Frisch nechtěně iniciuje „hon“ na přímý 1904-1979 důkaz štěpení (a hájí prvenství Frische v Kodani). Štěpení uranu se stává všeobecně známým jevem...
Nature, 11.2.1939 neutrony
Otto Hahn 1879-1968 Lise Meitner 1878-1968
Vzniká otázka, jakou roli hrají izotopy ퟐퟑퟖ ퟐퟑퟓ ퟗퟐ푼 a ퟗퟐ퐔, které vzhledem ke štěpení vykazují značně odlišné Nature, 18.2.1939 vlastnosti Štěpení jader neutron
Niels Bohr 1885-1962
John Archibald Wheeler 1911- 2008 Štěpení jader neutron !!!
Niels Bohr 1885-1962
řetězová reakce! Začátek války srpen leden prosinec březen září 1939 1938
Rooseveltova odpověď 19. 10. 1939 A dopis prezidentu USA RooseveltoviUSA prezidentudopis začátek 2. světové války 2. začátek světové vensko Německo obsazuje (štěpí) obsazuje (štěpí) Německo .Einstein se horečné zkoumání ( zkoumání horečné se rozebíhá uranu neutrony, štěpení R.Frisch O.Hahn a získává jeho zásoby uranu zásoby a jeho získává (na popud + + F.Strassmann L.Meitner L . Szilárda objevují objevují Českoslo N.Bohr a ) píše …) - Einsteinův dopis Rooseveltovi 2. 8. 1939 Začátek války 1938
prosinec O.Hahn + F.Strassmann a R.Frisch + L.Meitner objevují 1939 štěpení uranu neutrony, rozebíhá leden se horečné zkoumání (N.Bohr…) březen Německo obsazuje (štěpí) Českoslo- vensko a získává jeho zásoby uranu srpen A.Einstein (na popud L.Szilárda) píše dopis prezidentu USA Rooseveltovi září začátek 2. světové války prosinec Werner Heisenberg iniciuje 1940 vývoj německého jaderného reaktoru (Uranmaschine) únor květen Německo dobývá Belgii a získává zásoby uranu v belgickém Kongu Heisenbergova tajná zpráva německému úřadu pro červen Německo dobývá Norsko zbraně (Heereswaffenamt, Army Weapons Bureau) a ovládá výrobu těžké vody "O možnosti produkce technické energie štěpením uranu" 6. 12. 1939 (část I) 20. 2. 1940 (část II) Případ Heisenberg Werner Heisenberg (vynikající teoretik, spoluzaklada- tel kvantové mechaniky) navštívil v září 1941 svého přítele Nielse Bohra v Kodani. Obsah jejich setkání dodnes nebyl zcela vyjasněn, ale Bohr jej interpretoval jako důkaz loajality Heisenberga (který sám byl před válkou nacisty napadán) nacistickému Německu. To ještě více urychlilo jaderný výzkum spojenců. Nicméně role Heisenberga v německém Werner Heisenberg 1901–1976 vojenském programu byla pravděpodobně přeceňována.
V Kodani s N. Bohrem 1933, 1934, 1937 Případ Heisenberg
Zürich, 18.12.1944 Pokus o zabití Heisenberga při jeho návštěvě ve Švýcarsku americkým agentem Morrisem „Moe“ Bergem. Heisenberg se ale zdál být pohlcen svým výzkumem v kvantové teorii a Berg od záměru upouští...
Tabule z natáčení seriálu Génius Bomba versus reaktor Bikini test, 25. 7. 1946 Jaderná bomba „Jaderná fáze“ exploze je extrémně rychlý proces ( ≈ 1 μs ) vyžadující vysoce účinný štěpný materiál – ne 238U, ale 235U! Ten se v přírodním uranu nachází s příměsí jen 0,72 %. Uran pro bombu se proto musí obohacovat! Kritická hmota čistého 235U ve sférické geometrii je asi 50 kg (s odrá- žečem neutronů méně!). Heisenberg tuto hmotu silně nadhodnotil…
(b) kritické (c) vliv neutronového (a) podkritické odrážeče množství množství Bomba versus reaktor regulační tyč moderátor moderátor moderátor moderátor palivová tyč palivová tyč U štěpení U pomalý rychlé neutron
neutrony štěpení
zpomalování U U zpomalování aktivní zóna moderního reaktoru Jaderný reaktor Může jako palivo využívat i neobohacený uran. Podmínkou je účinné a bezztrátové zpomalování neutronů. Nejefektivnější zpomalování neutronů probíhá na lehkých jádrech jako vodík, které však nesmí neutrony pohlco-
vat – kandidáti: deuterium (těžká voda, D2O) nebo čistý uhlík (grafit). Bonus: V reaktoru s přírodním uranem vzniká plutonium 239Pu, které se dá použít v bombě podobně jako 235U ! krit.hmotnost 10 kg (ve sférické geometrii, bez odrážeče) Plutonium bylo objeveno na přelomu 1940-41 na cyklotronu v Berkeley Lab. Němci možnost výroby štěpitelného jádra v reaktoru začali zvažovat od 1941. Těžká voda 1 jádro D připadá na 6400 jader H.
D20 se dá získávat mnohonásobnou elektrolýzou H20. Výroba těžké vody probíhala od r.1935 v Norsku.
1940: odvoz 185 kg těžké vody do Francie Továrna na (později do GB) – Joliot-Curie. těžkou vodu Po úplném obsazení Norska Německem je v Rjukanu, 1935 Norsk Hydro terčem diverzních akcí: říjen 1942: operace Freshman – seskok 4 norských parašutistů, přistání 2 kluzáků s 32 muži, havárie, část zahynula, ostatní zajati a popraveni… únor 1943: operace Gunnerside – seskok 6 norských parašutistů, pochod 50 km na lyžích, průnik do továrny, odpálení náloží, úspěšný návrat listopad 1943: bombardování továrny únor 1944: potopení trajektu SF Hydro, převážejícího
barely D2O přes jezero Tinn.
Dramatizace operace v roce 1948 Uranprojekt duben–říjen 1941 K.Diebner, A.Esau, W.Gerlach, O.Hahn, W.Bothe, K.Clusius, E.Schumann, P.Harteck, W.Heisenberg, C.v.Weiszäcker ….. Berlin Leipzig
Různé návrhy experimentálního „reaktoru“ pro výzkum produkce neutronů při štěpení únor 1942
únor 1942 červen 1942 Uranprojekt – Lipská nehoda Exploze „jaderného reaktoru“ 23. 6. 1942 Příčina: chemické vznícení uranu. Důsledky: zpomalení německého výzkumu, ale paradoxně i zvýšené obavy spojenců...
Snímky z natáčení seriálu Génius Uranprojekt – po 1942 Berlin říjen 1942 květen 1943
Nový design: neobohacený U (kovová forma) těžká voda
Haigerloch
→ 1945 Spojenci rozebírají reaktor Útěk Nielse Bohra V září 1943 utíká Niels Bohr z Kodaně do Švédska, odtud je v říjnu transportován do GB a dále do USA, kde se připojuje k Manhattan Project. Cesta do GB se mu málem stala osudnou…
rychlý bombardér de Havilland DH.98 Mosquito Manhattan Project Od konce 1939 USA a GB zkoumaly možnost vojenského použití uranu. Na konci 1941 se úsilí sjednotilo v rámci tzv. projektu Manhattan (1942-1946) Někteří známí fyzikové: R. Oppenheimer, N. Bohr, E. Fermi, J.von Neumann, R. Feynman, E. Wigner, L. Szilard, P. Auger, F. Bloch, I. Rabi, S. Anderson, J. Chadwick, R. Glauber, J. Cockroft, E. Condon, B. Pontecorvo, S. Ulam, N. Rosen, E. Teller, E. Segré, F. Reines, R. Peierls, A. Bohr …..…………………
Představy o U-bombě kolem 1942 Manhattan Project – Feynman 1941-42: v Princetonu pracuje jako dobrovolník na vojenském výzkumu (balistika, separace uranu) 1943-45: Los Alamos, pracuje na výpočtech výtežku štěpné reakce (v Betheho skupině), ve výpočetním oddělení (koordinace „human computers“, později práce s mechanickými analogovými počítači – metoda děrných štítků), 1918 – 1988 v Oak Ridge na zabezpečení manipulace s obohaceným uranem, na vývoji uranové hybridní bomby (s moderátorem, později Von Neumann Ulam opuštěno), také jako partner v diskusích Feynman s Nielsem Bohrem Manhattan Project – jaderné reaktory 2. 12. 1942 bylo v Chicagu (pod sedadly stadionu Stagg Field ) pod vedením E. Fermiho uskutečněno první řízené štěpení uranu v reaktoru Chicago Pile-1 (přírodní uran, grafitový moderátor). Enrico Fermi 1901-54
Měření neutronového toku dokazující dosažení stavu samoudržitelné řetězové reakce v reaktoru
Chicago Pile-1 Manhattan Project – jaderné reaktory 2. 12. 1942 bylo v Chicagu (pod sedadly stadionu Stagg Field ) pod vedením E. Fermiho uskutečněno první řízené štěpení uranu v reaktoru Chicago Pile-1 (přírodní uran, grafitový moderátor). Enrico Fermi V rámci Manhattan projektu pak byly 1901-54 vybudovány 2 reaktory produkující plutonium: X-10 v Oak Ridge Lab. (od listopadu 1943) a B Reactor v Hanford Site (od září 1944).
Reaktor X-10
Chicago Pile-1 B Reaktor Manhattan Project – obohacování uranu Bylo vyvinuto několik metod separace izotopu 235U z přírodního uranu: • el.mag. separace (projekt Y-12), • difuze plynu membránou (projekt K-25), • tepelná difuze plynu (projekt S-50). Do července 1945 bylo vyprodukováno celkem 50 kg uranu obohaceného na 89% izotopem 235U. Všechen tento materiál byl použit v uranové bombě Little Boy svržené na Hirošimu. Projekt Y-12
Projekt S-50 Projekt K-25 Projekt Y-12 Manhattan Project – human resources V červnu 1944 projekt zaměstnával Z práce celkem 129 tisíc pracovníků • 84,5 tis. montéři & stavebníci • 40,5 tis. operátoři • 1,8 tis. vojáci • ??? fyzikové Srovnání: Škoda Auto – 33 tis. pracovníků (2017) Výplata Projev Manhattan Project – design bomby
„Little Boy“ Uran 235 Plutonium 239 „Fat Man“ nástřelný typ bomby implozní typ bomby m=4,4 t m=4,7 t Ekvivalent ekvivalent 15 kT TNT 21 kT TNT
0,7 m 1,5 m
3,0 m 3,7 m
Reportovány 2 nehody Fatální nehoda 21.8.1945: Harry Daghlian (1944,45) při určování upustil cihlu karbidu wolframu (WC, kritického množství používal se jako uranu – při náhodném odražeč neutronů) zvýšení toku neutronů na plutoniuvé jádro, se vzorek stal kritickým, které se tímto stalo jen zvýšené dávky kritickým… ozáření pro operátora „Lady Godiva device“ „demon core“ Trinity test 16. 7. 1945 proveden test plutoniové bomby (20 kT TNT) v poušti v Novém Mexiku. Událost měla kódové jméno „Trinity“.
16 ms
po explozi 200 m 200
Robert Oppenheimer (hlavní fyzik projektu, 1904-67) a gen. Leslie Groves (vojenský velitel projektu) v září 1945 u paty sloupu, na kterém byla umístěna testovaná bomba. Hirošima Nagasaki „Little Boy“ „Fat Man“
6. 8. 1945 9. 8. 1945
70-80 tis. mrtvých na místě 35-40 tis. mrtvých na místě 70 tis. zraněných 60 tis. zraněných Dozvuky Přes své tragické vyústění byl Projekt Manhattan grandiózním výkonem na poli vědy, techniky a organizace ! Němečtí vědci (od července 1945 do ledna 1946 internovaní ve Farm Hall, Godmanchester, Cambridgeshire) zprvu nemohli uvěřit pravdivosti zpráv o bombardování Hirošimy. Později se snažili vzbudit dojem, že oni vývoj jaderné zbraně sabotovali (tento výklad se na dlouhou dobu uchytil). Záznamy odposlouchávání zveřej- něny teprve v roce 1992
Otto Hahn (sám) získal 15.11.1945 Nobelovu cenu za chemii „za objev štěpení těžkých jader“ Dozvuky Válkou jaderný vojenský výzkum nekončí… První test americké fúzní (termojaderné) bomby: 10 MT TNT, 1. listopad 1952, operace Ivy Mike První test sovětské fúzně-štěpné bomby: 400 kT TNT, 12. srpen 1953
Los Alamos kolokvium o „Super“, 1946 Dozvuky Další osud 2 klíčových aktérů Albert Einstein pacifista a bojovník proti jaderným zbraním (+1955) Robert Oppenheimer návrat k základnímu výzkumu, v letech 1949,53,54 vyslýchán v souvislosti s dřívějšími styky s komunisty (proti němu svědčí E. Teller), stahuje se z veřejných funkcí, dožívá na Panenských ostrovech v Karibiku (+1967) Jak by vypadal paralelní svět, v němž jaderná zbraň Zdroje: nebyla použita ? • Robert Jungk: Jasnější než tisíc sluncí • Michael Frayn: hra Kodaň + následné články • Texty Filipa Grygara o N. Bohrovi, W. Heisenbergovi a O. Hahnovi • Válečné reporty W. Heisenberga Děkuji! • Internet, Wikipedia… – data, obrázky, fotky…